CN103048680A - 基于mems技术的电化学地震检波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS技术的电化学地震检波器，涉及地震检波技术，能够检测微弱地震波，是一个层状叠加结构的敏感单元密封在一个盛满电解质溶液的腔体里，敏感单元的每一层包括正面的两对共面叉指形排列的电极和背面的沟槽形绝缘流道。当地震检波器受到地震波的振动时，相当于受到一个加速度的作用，溶液内部将产生压力梯度，改变了溶液的离子浓度分布和速度场，影响电极处的电化学反应速率，从而使电极电流发生改变。通过测量电极电流的变化，就可以实现对地震波的检测。传感器采用层状和共面叉指电极的结构，提高了地震检波器的灵敏度，电极一致性好，便于调节电极宽度和间距。

Description

基于MEMS技术的电化学地震检波器

技术领域

本发明涉及地震检波技术领域，是一种基于MEMS技术的电化学地震检波器，可以对微弱地震波进行实时监测。

背景技术

目前，已提出的地震检波器绝大部分是属于惯性敏感测量器件，将微弱地震波信号转化为符合仪器记录系统需要的能量形式。

几种典型的地震检波器有：(1)动圈式地震检波器，利用线圈在地面振动时切割磁感线，产生感应电动势，通过测量感应电动势的变化来检测地震波。(2)压电式地震检波器，利用压电材料的压电、压阻效应，通过质量块敏感惯性力，使材料的电压或电阻产生相应的变化，通过测量输出的电压来检测地震波。(3)光栅光纤式地震检波器，光栅式是利用光栅的波长调制原理，通过检测由光栅的栅距变化引起的波长变化来测量表征地震波的加速度的大小；光纤加速度式是利用质量块感应加速度产生运动，引起相关结构的变化而导致光输出相位变化，通过测量出相位变化可计算地震波的振动参数。(4)MEMS电容式地震检波器，利用MEMS技术微型化、低功耗等特点，采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应地动加速度，再将电容变化转化为可输出的电压信号，通过测量电压信号来检测地震波，美国Colibrys公司是地震用MEMS芯片的主要研制厂家。(5)电化学地震检波器，基于电化学增益器的原理，利用了其增益倍数大、低功耗、低噪声等特点，在外界加速度的作用下，带电离子在电极处的反应速率发生变化，从而使电极电流输出产生相应的改变，通过测量电流变化来检测地震波，美国的PMD公司和MET公司是电化学地震检波器的主要研制厂家。

上述几种典型的地震检波器中，动圈地震检波器频带窄、动态范围小、易受电磁干扰且寿命短；压电地震检波器严重依赖于材料，温度稳定性较差，噪声大，信噪比低，敏感微弱振动有难度，而且压电和压阻材料的生产工艺一致性、误差等问题将引入到检波器中影响其性能；光纤光栅地震检波器通过质量块敏感惯性产生振动不可避免地会引入相应的机械噪声，信噪比难以做到很高；而且涉及到光学、机械学、电子检测等，整个检波器比较复杂，成本高，在恶劣条件下容易损坏；MEMS电容式地震检波器同样会引入机械热噪声，很难进一步提高传感器的信噪比和分辨率，另外器件含各种复杂MEMS微结构，工艺复杂、成品率低、成本高，输出信号微弱，对检测电路要求苛刻；电化学地震检波器采用铂丝网状电极与多孔陶瓷薄片和陶瓷管组装而成，工艺复杂、成本高、电极一致性差、批量化生产能力差，器件体积大，制约着其使用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的电化学地震检波器，对微弱地震波进行高灵敏的检测，并且实现微型化，降低工艺难度和加工成本。

为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于MEMS技术的电化学地震检波器，其敏感单元密封在盛满电解质溶液4的腔体中；其敏感单元为层状叠加结构，每一层包括正面的两对共面叉指形排列的电极1a、1b、2a、2b和背面的多个沟槽形绝缘流道3，上一层的流道3紧贴在下一层的电极1a、1b、2a、2b上，使电解质溶液4在电极1a、1b、2a、2b表面流动。

所述的地震检波器，其所述沟槽形绝缘流道3，为一字型，两端贯通于层状叠加体两侧面；每层的多个绝缘流道3之间横向相互平行，不同层的多个绝缘流道3之间叠加的相互平行。

所述的地震检波器，其所述敏感元件的每一层为不同的长度，便于将各层相同的电极1a、1b、2a、2b相互连接起来；电极1a、1b、2a、2b，或采用条形结构，多组条形结构可以增加电极面积，保证地震检波器的灵敏度；电极1a、1b、2a、2b材料为金属铂；电解质溶液4，为碘化钾和碘单质的混合溶液、溴化物和溴单质的混合溶液，或包含二价铁离子和三价铁离子的混合溶液其中之

所述的地震检波器，其敏感单元采用MEMS工艺加工制作，包括步骤：

a)在衬底单晶硅6背面用深刻蚀制作多个平行沟槽后，以热氧化方法在单晶硅6表面生长氧化硅9制作绝缘层5；

b)在没有多个平行沟槽的衬底单晶硅6正面溅射金属铂10后，以分层剥离工艺制作两对共面叉指形排列的电极1a、1b、2a、2b；

c)根据需要层数，重复a)、b)步，加工每一层结构，然后将多层堆叠固接起来，上一层的沟槽作为下一层电极1a、1b、2a、2b的流道3，各层相同的电极1a、1b、2a、2b间相互电连接，得成品。

所述的地震检波器，其所述将多层堆叠固接起来，是将每层的背面固接在下一层的正面上，使上一层的沟槽作为下一层电极1a、1b、2a、2b的流道3。

所述的地震检波器，其所述固接起来，是各层之间粘合堆叠，或键合堆叠。

所述的地震检波器，其所述衬底，或用玻璃、或用石英。

所述的地震检波器，其工作流程是：

a)在阳极1a，1b和阴极2a，2b之间施加工作电压12，电解质溶液4中的离子会在电极1a、1b、2a、2b表面发生电化学反应，产生电荷交换，从而形成电流；

b)当地震检波器受到地震波的振动时，相当于受到一个加速度的作用，电解质溶液4内部产生压力梯度，改变电解质溶液4的离子浓度分布和速度场，影响电极1a、1b、2a、2b处的反应速率，从而使阴极2a，2b的输出电流发生改变；

c)因为两对电极1a、1b、2a、2b的对称排列，所以两个阴极2a，2b的电流呈相反变化；

d)将阴极2a，2b输出的电流信号通过运放13转化为电压信号，结合电阻14实现放大，再经过减法器15差分输出，通过检测这个差分输出，以完成对地震波的检测。

本发明的有益效果是：(i)敏感单元的层状叠加结构和电极的叉指形排列，增加了电解质溶液与电极发生电化学反应的接触面积，保证了地震检波器的高灵敏度的特性；(ii)阳极和阴极在同一表面上制作，电极一致性好，便于调节电极宽度和间距，并且降低了工艺复杂度；(iii)MEMS技术使加工工艺简单、成本低，实现微型化，而且成品率高，适于批量化生产。

附图说明

图1是本发明的基于MEMS技术的电化学地震检波器的结构示意图；

图2是本发明的地震检波器敏感单元y-z剖面制作工艺流程图；

图3是本发明的地震检波器层间电极连接的示意图；

图4是本发明的地震检波器实施例x-z剖面示意图；

图5是本发明的地震检波器电极的多组条形结构的示意图。

图中：

1a、1b-阳极    2a、2b-阴极  3-流道

4-电解质溶液   5-绝缘层     6-单晶硅

7-铝           8-光刻胶     9-氧化硅

10-铂          11-导线      12-工作电压源

13-运放        14-电阻      15-减法器

a-蒸镀         b-光刻       c-磷酸腐蚀

d-深刻蚀       e-热氧化     f-光刻

g-溅射         h-分层剥离   i-粘合堆叠

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

在图1所示的结构图中，地震检波器的敏感单元为层状叠加结构，每一层有正面的电极1a，1b，2a，2b和背面的流道3，敏感单元密封在盛满电解质溶液4的腔体中。阳极1a，1b和阴极2a，2b为叉指形结构排列，整体上从左到右为阳极1a-、阴极2a-、阴极2b-、阳极1b；流道3为沟槽形结构，具有电绝缘的性质，上一层的流道3紧贴在下一层的电极1a，1b，2a，2b上，使电解质溶液4可以沿左右方向在电极1a，1b，2a，2b表面流动；电解质溶液4为碘化钾和碘单质的混合溶液。

在图2中，介绍了具体的工艺制作流程，包括：a步，首先在单晶硅6背面蒸镀铝层7；b步，在铝层7表面根据需要涂覆光刻胶8；c步，进行光刻后，用磷酸腐蚀将铝层7图形化，作为掩膜；d步，在c步基础上，用深刻蚀在单晶硅6背面制作沟槽；e步，然后用热氧化的方法在单晶硅6表面生长氧化硅9制作绝缘层5；f步，在e步基础上，在单晶硅6正面根据需要涂覆光刻胶8；g步，接着对光刻胶8光刻后，在单晶硅6正面溅射金属铂10；h步，用分层剥离工艺将金属铂10制作成电极1a，1b，2a，2b。由步骤a～步骤h，加工完成一层结构后，重复步骤a～步骤h，根据需要制作多个一层结构，然后进行i步，将几层粘合堆叠起来，上一层的沟槽作为下一层电极1a，1b，2a，2b的流道3，得地震检波器的敏感单元成品。

在图3所示的层间电极连接示意图，地震检波器敏感单元的每一层为不同的长度，便于将各层相同的电极1a，1b，2a，2b相互连接起来。

在图4所示实施例中，地震检波器通过导线11与电路相连，在阳极1a，1b和阴极2a，2b之间施加工作电压12，电解质溶液4中的离子会在电极1a，1b，2a，2b表面发生电化学反应，产生电荷交换，从而形成电流。当地震检波器受到地震波的振动时，相当于受到一个加速度的作用，电解质溶液4内部产生压力梯度，改变了电解质溶液4的离子浓度分布和速度场，影响电极1a，1b，2a，2b处的反应速率，从而使阴极2a，2b的输出电流发生改变。因为两对电极1a，1b，2a，2b的对称排列，所以两个阴极2a，2b的电流呈相反变化。将阴极2a，2b输出的电流信号通过运放13转化为电压信号，结合电阻14实现一定的放大，再经过减法器15差分输出，通过检测这个差分输出，就可实现对地震波的检测。

在图5中，地震检波器的电极1a，1b，2a，2b的另一种排列结构，长条形的三对电极1a，1b，2a，2b都是阳极1a-阴极2a-阴极2b-阳极1b的排列，各对相同的电极1a，1b，2a，2b相互连接；因为阳极1a，1b在工作时将施加相同的工作电压12，所以可以连接在一起；电极对的个数可以根据需要调整，并不局限于三对。

Claims (8)

1.一种基于MEMS技术的电化学地震检波器，其敏感单元密封在盛满电解质溶液(4)的腔体中；其特征是：敏感单元为层状叠加结构，每一层包括正面的两对共面叉指形排列的电极(1a，1b，2a，2b)和背面的多个沟槽形绝缘流道(3)，上一层的流道(3)紧贴在下一层的电极(1a，1b，2a，2b)上，使电解质溶液(4)在电极(1a，1b，2a，2b)表面流动。

2.根据权利要求1所述的地震检波器，其特征是：所述沟槽形绝缘流道(3)，为一字型，两端贯通于层状叠加体两侧面；每层的多个绝缘流道(3)之间横向相互平行，不同层的多个绝缘流道(3)之间叠加的相互平行。

3.根据权利要求1所述的地震检波器，其特征是：所述敏感元件的每一层为不同的长度，便于将各层相同的电极(1a，1b，2a，2b)相互连接起来；电极(1a，1b，2a，2b)，或采用条形结构，多组条形结构增加电极面积，保证地震检波器的灵敏度；电极(1a，1b，2a，2b)材料为金属铂；电解质溶液(4)，为碘化钾和碘单质的混合溶液、溴化物和溴单质的混合溶液，或包含二价铁离子和三价铁离子的混合溶液其中之一。

4.根据权利要求1所述的地震检波器，其特征是：敏感单元采用MEMS工艺加工制作，包括步骤：

a)在衬底单晶硅(6)背面用深刻蚀制作多个平行沟槽后，以热氧化方法在单晶硅(6)表面生长氧化硅(9)制作绝缘层(5)；

b)在没有多个平行沟槽的衬底单晶硅(6)正面溅射金属铂(10)后，以分层剥离工艺制作两对共面叉指形排列的电极(1a，1b，2a，2b)；

c)根据需要层数，重复a)、b)步，加工每一层结构，然后将多层堆叠固接起来，上一层的沟槽作为下一层电极(1a，1b，2a，2b)的流道(3)，各层相同的电极(1a，1b，2a，2b)间相互电连接，得成品。

5.根据权利要求4所述的地震检波器，其特征是：所述将多层堆叠固接起来，是将每层的背面固接在下一层的正面上，使上一层的沟槽作为下一层电极(1a，1b，2a，2b)的流道(3)。

6.根据权利要求4或5所述的地震检波器，其特征是：所述固接起来，是各层之间粘合堆叠，或键合堆叠。

7.根据权利要求4所述的地震检波器，其特征是：所述衬底，或用玻璃、或用石英。

8.根据权利要求1所述的地震检波器，其特征是：工作流程是：

a)在阳极(1a，1b)和阴极(2a，2b)之间施加工作电压(12)，电解质溶液(4)中的离子会在电极(1a，1b，2a，2b)表面发生电化学反应，产生电荷交换，从而形成电流；

b)当地震检波器受到地震波的振动时，相当于受到一个加速度的作用，电解质溶液(4)内部产生压力梯度，改变电解质溶液(4)的离子浓度分布和速度场，影响电极(1a，1b，2a，2b)处的反应速率，从而使阴极(2a，2b)的输出电流发生改变；

c)因为两对电极(1a，1b，2a，2b)的对称排列，所以两个阴极(2a，2b)的电流呈相反变化；

d)将阴极(2a，2b)输出的电流信号通过运放(13)转化为电压信号，结合电阻(14)实现放大，再经过减法器(15)差分输出，通过检测这个差分输出，以完成对地震波的检测。

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